Filtrasyon Testler

Nanoliflerin çok düşük inceliğe ve sınırlı mekaniksel özelliklere sahip olduğu için, daha mukavim ve stabil yapı oluşturmak için genellikle spunbond yada meltblown yüzeylerle birlikte kullanıldığından daha önceki bölümlerde bahsedilmiştir.

Aşağıdan yukarıya lif çekiminin gerçekleştirmek için tasarladığımız sistemde PAN ile bir miktar lif çekimi gerçekleşse de filtrasyon yüzeyi elde etmek için yeterli olmamıştır. Bu yüzden filtrasyon testleri için çoklu elektrolif çekim düzeneği ile elde edilen nanolif dokusuz yüzeyleri kullanılmıştır.

Bu çalışmada 20 g/m2 ağırlıkta PP (Polipropilen) meltblown yüzeyler kullanılmıştır. Bu liflerin SEM görüntülerinden (Şekil 4.2) lif çaplarının 2 mikron ile 6 mikron arasında değiştiği gözlenmiştir.

Şekil 4.2 : 20 g/m2 ağırlıkta PP meltblown yüzey SEM görüntüsü

Elektrolif çekim yöntemiyle elde edilen nanolifler PP meltblown yüzeyler üzerine çekilmiş, bu yüzeylerin üzeri yine PP meltblown yüzey ile kapatılarak, nanolifler iki yüzey arasında dış ortam ile teması kesilerek aşınma ve kopmalara karsı korunmuştur. Nanolifler tek kat olarak iki meltblown yüzey arasında sıkıştırıldığında MNM (M: Meltblown, N: Nanolif), iki kat olarak sıkıştırıldığında ise MNNM olarak ifade edilmiştir.

En uygun şartları belirlemek için çalışmalar yapılmıştır. 10 cm pipet ile toplayıcı arasındaki mesafe, 30 kV voltaj değeri ve %12 konsantrasyon ile PVA çözeltileri hazırlanmıştır. SEM ölçümlerinde ortalama lif çapları PVA için 247 nm olarak bulunmuştur.

4.6.1. Sabit Basınç Düşmesi Altında Filtrasyon Özellikleri

Filtrasyon testleri 400 Pa sabit basınç düşmesi altında yapılmıştır. Tablo 4.6, meltblown yüzeylere 0,21, 0,3, 0,6, 1 ve 2 g/m2 ağırlıklarında PVA nanolifleri çekilerek oluşturulmuş dokusuz yüzeylerden 400 Pa basınç düşmesi altında hava geçiş hızlarını vermektedir. Hava geçiş hızı artan nanolif miktarı ile birlikte azalmaktadır. 2 g/m2 PVA nanolifi çekilerek oluşturulan filtrasyon yüzeyindeki hava

Tablo 4.6 : PVA nanolifleri ile hazırlanan filtrasyon malzemelerinin yapısı, gramajı, filtrasyon malzemesinden sabit basınç düşmesinde (400 Pa) hava geçiş hızı değerleri

Dokusuz yüzey Gramaj (g/m2) Hava Geçiş Hızı (m/s)

M(Meltbown PP) 20 1 MNM-0,21 1 MNM-0,3 0,3 PVA MNNM-0,3+0,3 0,25 MNM-1 0,2 MNNM-1+1 0,1

Tablo 4.7 ve Şekil 4.3, PVA liflerinin filtrasyon verimliliklerini vermektedir. 0,21 g/m2 ağırlığında nanolif ile hazırlanan filtrasyon malzemesi, sadece meltblown’dan oluşan filtrasyon malzemesi gibi 0,3 mikron partiküllerin filtrelenmesinde eksi (-) sonuç vermiştir. Şekilden de görüldüğü gibi bu orandaki nanolif filtrelemeye çok küçük bir katkı sağlamaktadır. 1 g/m2 nanolif ile hazırlanan tek kat filtre malzemesi ile 0,6 g/m2 nanolif ile hazırlanan iki kat filtre malzemesinin filtre verimlilikleri çok yakındır. 2 g/m2 iki kat filtre malzemesi ise 0,3 mikrondan büyük partiküllerin tümünü filtrelemektedir.

Bu sonuçlar iki kat hazırlanan filtre malzemelerinin filtrasyon verimliliklerinin aynı ağırlıkta hazırlanan tek kat filtre malzemelerine göre daha yüksek olduğunu göstermektedir. İki kat hazırlanan filtreler, birbirleri üzerinde hatalı bölgeleri kapatarak, daha düzgün dağılımlı nanolif katmanları oluşturmaktadır. Test sırasında hava, direncin daha az olduğu bölgeye akmaktadır. Lif dağılımı homojen olmadığı taktirde, boşluk olan bölgelerden hava geçişi fazla olacaktır.

Tablo 4.7 :PVA nanolifleri ile hazırlanan filtrasyon malzemelerinin verimlilikleri Partikül Boyutu (μm) MM MNM- 0,21 MNM- 0,3 MNNM- 0,3+0,3 MNM- 1 MNNM- 1+1 0,3 -10,37 -6,61 75,73 98,80 98,87 99,99 0,4 19,72 36,09 92,88 99,76 99,85 100,00 0,5 37,31 54,64 96,23 99,86 99,94 100,00 0,55 48,11 65,57 97,41 99,93 99,98 100,00 0,7 63,70 78,48 98,28 99,94 99,97 100,00 1,0 75,35 85,28 98,68 100,00 100,00 100,00 1,3 82,66 91,91 99,54 100,00 100,00 100,00 1,6 93,91 96,54 100,00 100,00 100,00 100,00 2,0 92,31 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 2,2 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 3,0 90,91 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 4,0 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 5,0 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 5,5 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 7,0 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 >10 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

Şekil 4.3 : PVA nanolifleri ile hazırlanan filtrasyon malzemelerinin verimlilik grafikleri

Yukarıda bahsedilen testlerde basınç düşmesi sabit alınmıştır. Fakat filtre malzemelerinin verimliliği ve kullanımında esas alınan değer, hava geçiş miktarı ve dolayısıyla hava geçiş hızıdır. Aşağıdaki testler hava geçiş hızı sabit alınarak

4.6.2. Sabit Hava Geçiş Hızında Filtrasyon Özellikleri

Filtrasyon testleri sabit hava geçiş hızında yapılmıştır. Bu testlerde,farklı ağırlıkta nanolifli yapılar ile hazırlanan dokusuz yüzeyler ile piyasadan hazır olarak alınan sınıflandırılmış, farklı özelliklere sahip 6 adet HEPA ve ULPA filtre malzemeleriyle testler yapılmıştır.

HEPA ve ULPA malzemelerle yapılan standart testlerde yüzey ile hava birbirine dik olarak gelmemektedir. Katlı veya pileli yapıdan ötürü hava filtre malzemesi üzerinde akarken partiküllerin yakalanma şansı dik konuma göre çok daha fazladır. Ancak nanolif çekilerek hazırlanan filtrasyon malzemelerinin boyutu katlı ve pileli yapı oluşturularak yapılan standart testlere yetmediği için testler dik konumda yapılmıştır. Bu konumda yapılan testlerde elde edilen filtre sınıfı, normal şartlarda yapılan testlere göre 1 veya 2 sınıf üstte yer almaktadır. Sınıflandırmayı böyle yapmak yerine, daha önce sınıflandırılmış farklı filtre örneklerinin filtre verimlilikleri dik konumda ölçülmüştür ve karşılaştırma bu şekilde yapılmıştır.

Tablo 4.8, piyasadan hazır olarak alınan 6 adet standartlar ile sınıflandırılmış filtre malzemesinin metrekare ağırlık değerlerini ve 1,2 m/s hızla hava geçişi sırasında meydana gelen basınç düşmesi değerini vermektedir. Filtrelerin en düşük ağırlığı 64,4 g/m2, en yüksek ağırlığı 79,9 g/m2 olarak bulunmuştur. U15 filtresinde meydana gelen basınç düşmesi beklendiği gibi 180 olarak en yüksektir.

Tablo 4.8 : Standart filtrasyon malzemesi gramajları malzemeden sabit hava geçiş hızında (1,2 m/s) basınç düşmesi değerleri

Dokusuz Yüzey Gramaj (g/m2) Basınç Düşmesi (Pa)

M (Meltblown PP) 20 10 F7 64,4 10 F9 65,5 18 H11 78,9 90 H13 76,6 90 H14 75,6 110 U15 79,9 180

Tablo 4.9 ve Şekil 4.4 standart filtre malzemelerinin verimliliklerini vermektedir. Buradaki testlerde 6 farklı partikül boyutu (0,3, 0,5, 1, 5 ve 10 mikron)için testler yapılmıştır. İki kat meltblown yüzeyin filtre verimliliği 0,3 mikron partikül boyutu

için %22 bulunmuştur. Dik konumda verimlilikleri U15’i iki sınıf ve H14’ü bir sınıf geriletmiştir. F sınıfı filtrelerin beklendiği gibi küçük partiküllere karşı filtreleme yetenekleri çok düşüktür.

Tablo 4.9 : Standart filtrasyon malzemelerinin verimlilikleri

Partikül Boyutu (μm) MM F7 F9 H11 H13 H14 U15 0,3 22,08507 50,22643 61,66027 99,97094 61,66027 99,98432 99,99146 0,5 55,10827 82,97677 90,3821 99,97175 90,3821 99,97808 99,99648 1 73,38966 92,96301 96,53029 99,95393 96,53029 99,96259 99,99543 3 90,89945 98,66238 99,44251 99,90158 99,44251 99,95059 100 5 97,13439 99,73046 99,73298 99,22958 99,73298 99,92238 100 <10 100 100 100 100 100 100 100

Şekil 4.4 : Standart filtrasyon malzemelerinin verimlilikleri

Tablo 4.10, PVA nanolifleri ile hazırlanan filtrelerin özelliklerini göstermektedir. Basınç düşmesi en yüksek 360 Pa değerine çıkmıştır. Tek kat 2 g/m2 değerindeki basınç düşmesi 36 Pa için, iki kat 2,6 g/m2 değerinde yalnızca 14 Pa’dır.

Tablo 4.10 :PVA nanolifleri ile hazırlanan filtrasyon malzemelerinin yapısı, gramajı, filtrasyon

malzemesinden sabit hava geçiş hızında (1,2 m/s) basınç düşmesi değerleri Dokusuz Yüzey Gramaj (g/m2) Basınç düşmesi (Pa)

M(Meltbolwn PP) 20 10 MNM-1,2 10 MNM-1,4 12 MNM-2 36 PVA MNM-4 90 MNM-12 270 MNNM-1,2+1,4 14 MNNM-4+12 360

Tablo 4.11 ve Şekil 4.5 PVA nanolifleri ile elde edilen filtre malzemelerinin verimliliklerini vermektedir. Görüldüğü gibi en düşük nanolif ağı (1,2 g) dahi filtrasyon verimliliklerini %90’ların üzerine çıkarmıştır ve bütün filtre malzemeleri HEPA sınıfına girmektedir. En yüksek verimliliği sağlayan 16 g/m2 ağırlığındaki filtre malzemesi H11 standart filtreden daha iyi sonuç vermektedir.

Tablo 4.11 :PVA nanolifleri ile hazırlanan filtrasyon malzemelerinin verimlilikleri

Şekil 4.5 : PVA nanolifleri ile hazırlanan filtrasyon malzemelerinin verimlilik grafikleri Partikül boyutu (μm) MNM-1,2 MNM-1,4 MNM-2 MNM-4 MNM-12 MNNM- 1,2+1,4 MNNM- 4+12 0,3 96,67035 96,91301 97,7411 99,56062 99,90737 99,8619 99,9778 0,5 99,16781 99,28273 99,57327 99,94262 99,972 99,98573 99,99133 1 99,76358 99,84367 99,91323 99,9863 99,98013 99,9988 99,99161 3 99,98236 99,98413 99,96395 100 99,97613 100 99,99669 5 100 100 100 100 99,89418 100 100 <10 100 100 100 100 100 100 100

BÖLÜM V